JP5835359B2 - 光送信器および光送信器の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器および光送信器の動作状態を制御する方法に係わる。

近年、半導体プラットフォームを利用して光素子を形成する技術が発展してきている。例えば、シリコン材料を用いたシリコンプラットフォーム光素子の研究および開発が進められている。

半導体デバイスの分野では、安価で高度な微細加工技術が実現されている。そして、この技術を光素子の形成に適用することにより、安価で小型の光素子（例えば、光送信器、光変調器）を形成することができる。したがって、半導体プラットフォーム光素子は、光ネットワークまたは光インターコネクション等の光通信において、重要なデバイスと位置づけられている。

図１は、半導体プラットフォーム上に形成される光変調器の一例を示す。この光変調器は、オールパスリング共振器型光変調器であって、バス導波路１０１、リング共振器１０２、電極１０３を有する。バス導波路１０１およびリング共振器１０２は、半導体プラットフォーム上に形成される光導波路である。バス導波路１０１およびリング共振器１０２は、互いに光学的に結合している。電極１０３は、リング共振器１０２を挟むようにして形成される。

上記構成の光変調器において、バス導波路１０１には、所定の波長を有する連続光が入力される。この連続光の一部は、リング共振器１０２に導かれる。リング共振器１０２に導かれた連続光は、図１に示す例では、反時計回りに伝搬した後、バス導波路１０１に出力される。リング共振器１０２の周回長は、連続光の波長に対して所定の関係を有するように形成されている。そして、電極１０３には、データ信号が印加される。そうすると、リング共振器１０２の光パス長は、そのデータ信号に応じて変化する。したがって、光変調器は、データ信号を伝送する変調光信号を生成することができる。

上記構成の光変調器は、共振効果を利用するので、消費電力が小さい。また、この光変調器は、小型化が容易であり、例えば、１０μｍ×１０μｍ程度のサイズで実現することができる。ただし、リング共振器１０２の周回長によって決まる動作波長と、入力光の波長とを、非常に高い精度で一致させる必要がある。

また、複数のリング変調器を有する光送信器が提案されている（たとえば、非特許文献１）。この光送信器において、各リング変調器は、例えば、図１に示す光変調器により実現される。そして、複数のリング変調器は、共通バス導波路に光学的に結合される。この構成により、波長多重光送信器が実現される。ただし、この構成では、入力光の各チャネルの波長と、各リング変調器の動作波長とを、それぞれ精度よく合わせる必要がある。したがって、このような光送信器においては、好適な動作状態を得るための制御が複雑である。なお、上述の光送信器において、リング変調器の動作波長が不適切に調整されると、例えば、ある波長を利用して伝送すべきデータ信号が他の波長に割り当てられてしまうことがある。

さらに、半導体レーザおよびその半導体レーザに接続された光変調器（共振器型光変調器）を備える光集積素子が提案されている（例えば、特許文献１）。この光集積素子は、光変調器の後段に、光変調器の共振波長帯域に含まれる発振モードの光（変調光）のみを取り出すための導波路型の波長フィルタを備える。この波長フィルタは、リング共振器型波長フィルタである。しかしながら、この構成においては、光変調器を実現するリング共振器および波長フィルタを実現するリング共振器の動作波長を、それぞれ信号波長に合わせるために複雑な制御を行う必要がある。

なお、半導体プラットフォーム上に光素子を形成する技術は、例えば、非特許文献２に記載されている。

特開２０１０−２７６６４号公報

Xuezhe Zheng, et. al., Ultra-Low Power Arrayed CMOS Silicon Photonic Transceivers for an 80 Gbps WDM Optical Link, National Fiber Optic Engineers Conference, Optical Society of America, 2011, PDPA1 Po Dong, et. al., Low Vpp, ultralow-energy, compact, high-speed silicon electro-optic modulator, Opt. Express, OSA, 2009, Vol.17, No.25, 22484-22490

上述のように、従来技術においては、リング共振器を有する光送信器または光変調器を正しく動作させるための制御が複雑であった。
本発明の目的は、リング共振器を有する光送信器の動作状態を、簡単な制御で調整できるようにすることである。

本発明の１つの態様の光送信器は、リング導波路と、前記リング導波路の近傍に形成された、信号が与えられる電極と、前記リング導波路と光学的に結合する第１の導波路と、前記第１の導波路と光学的に直接結合することなく、前記リング導波路と光学的に結合する第２の導波路と、前記第１の導波路に連続光を供給する光源と、を有する。

上述の態様によれば、リング共振器を有する光送信器の動作状態を、簡単な制御で調整できる。

半導体プラットフォーム上に形成される光変調器の一例を示す図である。 実施形態の光送信器の構成を示す図である。 光源が生成する連続光のスペクトルの一例を示す図である。 リング共振器型変調器およびその周辺を上方から見た図である。 リング共振器型変調器の断面図である。 導波路コア領域の空乏領域について説明する図である。 リング共振器型変調器の透過率を示す図である。 リング共振器型変調器の消光比および挿入損を示す図である。 リング共振器型変調器の動作状態を制御する処理のフローチャートである。 図９のステップＳ２の温度制御について説明する図である。 波長多重光送信器の構成を示す図である。 複数のリング共振器を有する変調器の構成を示す図である。 図１２に示すリング共振器型変調器の透過スペクトルを示す図である。 リング共振器型変調器の消光比と挿入損との関係を示す図である。

図２は、実施形態の光送信器の構成を示す。実施形態の光送信器１は、図２に示すように、リング共振器型変調器２、入力導波路３、出力導波路４、光源（ＬＤ）５を有する。
リング共振器型変調器２は、後で詳しく説明するが、リング導波路およびそのリング導波路の近傍に形成された電極を含む。入力導波路３は、リング共振器型変調器２のリング導波路と光学的に結合する。出力導波路４も、リング共振器型変調器２のリング導波路と光学的に結合する。ただし、入力導波路３および出力導波路４は、互いに光学的に直接結合することはない。

なお、図２に示すリング共振器型変調器２、入力導波路３、出力導波路４を利用して光変調器を実現してもよい。この場合、光変調器は、例えば、光源５により生成される連続光をデータ信号で変調して、変調光信号を生成する。

光源５は、レーザであって、入力導波路３に連続（ＣＷ：Continuous Wave）光を供給する。光源５は、特に限定されるものではないが、この例では、複数の発振モードを有するものとする。この場合、光源５から出力される連続光のスペクトルは、図３に示すように、単一の発振モードに対応する単一のピークを有する。

信号生成器１１は、リング共振器型変調器２を駆動するための駆動信号を生成する。駆動信号は、例えば、光送信器１が送信するデータ信号に基づいて生成される。また、駆動信号は、この実施例では、ＨレベルおよびＬレベルを含む電圧信号である。そして、この駆動信号は、リング共振器型変調器２の電極に与えられる。なお、信号生成器１１は、光送信器１の一部であってもよいし、光送信器１に外部に設けてもよい。

光送信器１は、光検出器（ＰＤ）６および光検出器（ＰＤ）７をさらに有する。光検出器６は、入力導波路３の端部に設けられる。ここで、入力導波路３の一方の端部には、光源５が設けられている。すなわち、光検出器６は、入力導波路３の他方の端部に設けられる。以下の説明では、光検出器６が設けられている側の入力導波路３の端部を「スルーポート」と呼ぶことがある。

光検出器６は、スルーポートの光レベルを検出する。すなわち、光検出器６は、入力導波路３を介してスルーポートへ導かれる光のパワーを検出する。光検出器７は、光源５の出力レベルを検出する。すなわち、光検出器７は、光源５の出力パワーを検出する。

光送信器１は、温度制御部８をさらに有する。温度制御部８は、リング共振器型変調器２のリング導波路の温度を制御する。ここで、光導波路の光パス長は、温度に依存して変化する。すなわち、温度制御部８は、リング共振器型変調器２のリング導波路の光学的な周回長を調整することができる。

温度制御部８は、リング共振器型変調器２のリング導波路の近傍に形成されたヒータ電極（抵抗体）、及びそのヒータ電極に供給する電流を制御するコントローラ９を有する。コントローラ９は、光検出器６および光検出器７により検出される光レベルに基づいて、ヒータ電極に供給する電流を制御する。或いは、コントローラ９は、光検出器６により検出される光レベルに基づいて、ヒータ電極に供給する電流を制御してもよい。また、コントローラ９は、所定の駆動信号が生成されるように、信号生成器１１を制御することができる。例えば、コントローラ９は、駆動信号が継続的にＨレベル（または、継続的にＬレベル）となるように、信号生成器１１を制御できる。なお、コントローラ９は、特に限定されるものではないが、例えば、プロセッサおよびメモリにより実現される。

上記構成の光送信器１において、光源５は入力導波路３に連続光を供給する。ここで、入力導波路３は、リング共振器型変調器２のリング導波路に光学的に結合している。このため、入力導波路３を伝搬する連続光の一部は、リング共振器型変調器２に導かれる。そして、リング共振器型変調器２に導かれた連続光は、リング導波路を伝搬する。この連続光は、図２に示す例では、リング導波路を時計回り方向に伝搬する。

リング共振器型変調器２には、信号生成器１１から駆動信号が与えられる。そして、リング共振器型変調器２は、リング導波路を伝搬している連続光を駆動信号で変調することにより変調光信号を生成する。ここで、出力導波路４は、リング共振器型変調器２のリング導波路に光学的に結合している。したがって、リング共振器型変調器２において生成される変調光信号は、出力導波路４に導かれる。そして、この変調光信号は、ドロップポート（すなわち、出力ポート）を介して出力される。

ここで、リング共振器型変調器２においては、リング導波路の光パス長（すなわち、リング導波路の光学的な周回長）に対応する波長成分が共振し、他の波長成分は実質的に相殺される。すなわち、リング導波路の光パス長に対応する波長成分の光信号のみが、リング共振器型変調器２から出力導波路４へ導かれる。したがって、リング共振器型変調器２は、光変調器として動作すると共に、所定の波長成分のみを通過させる波長フィルタとして動作する。

図４は、リング共振器型変調器２およびその周辺を上方から見た図である。ただし、図４（ａ）においては、図面を見やすくするために、ヒータ電極として使用される抵抗体は省略されている。

リング共振器型変調器２は、図４（ａ）に示すように、リング導波路２１および電極２２、２３を有する。リング導波路２１は、この例では、円形に形成されている。リング導波路２１の光学的な周回長は、共振波長を決定する。すなわち、波長フィルタの通過波長は、リング導波路２１の光学的な周回長に依存する。この実施例では、特に限定されるものではないが、リング導波路２１の曲率半径は約８μｍである。

電極２２および電極２３は、リング導波路２１を挟むように形成される。この例では、リング導波路２１の外側に電極２２が形成され、リング導波路２１の内側に電極２３が形成されている。そして、電極２２、２３には、信号生成器１１により生成される駆動信号が与えられる。ここで、駆動信号は、上述したように、ＨレベルおよびＬレベルを含む電圧信号である。したがって、駆動信号がＨレベルであるときは、電極２２、２３間にＨレベル電圧が印加される。また、駆動信号がＬレベルであるときは、電極２２、２３間にＬレベル電圧が印加される。

リング導波路２１には、入力導波路３および出力導波路４がそれぞれ光学的に結合している。図４（ａ）においては、領域Ｂ１において、リング導波路２１および入力導波路３が互いに光学的に結合している。また、領域Ｂ２において、リング導波路２１および出力導波路４が互いに光学的に結合している。なお、「光学的な結合」は、２本の光導波路間のギャップを十分に小さく形成することにより実現される。

２本の光導波路（たとえば、光導波路Ｘ１、Ｘ２）が互いに光学的に結合しているときは、光導波路Ｘ１を伝搬する光波の一部が光導波路Ｘ２に注入され、また、光導波路Ｘ２を伝搬する光波の一部が光導波路Ｘ１に注入される。したがって、入力導波路３を伝搬する連続光の一部は、リング導波路２１に入力される。また、リング導波路２１におい生成される変調光信号は、出力導波路４に出力される。

図５は、リング共振器型変調器２の断面図である。なお、図５は、図４（ａ）に示すＡ−Ａ’断面を示している。
リング共振器型変調器２は、基板３０の上面に形成される。また、リング共振器型変調器２は、この実施例では、横方向ｐｎ構造を有するリブ導波路型位相シフタにより実現される。そして、リング共振器型変調器２は、図５に示すように、導波路コア領域３１、スラブ領域３４、電極２２、電極２３、クラッド３７、３８を有する。基板３０、導波路コア領域３１、スラブ領域３４は、例えば、結晶シリコンで実現される。また、クラッド３７、３８は、例えば、SiO₂で実現される。

導波路コア領域３１は、図４に示すリング導波路２１に相当し、ｐ型低濃度ドーピング領域３２およびｎ型低濃度ドーピング領域３３を含む。即ち、導波路コア領域３１は、ｐｎ接合を有する。なお、ｐ型ドーパントはホウ素であり、ｎ型ドーパントはリンである。ｐ型低濃度ドーピング領域３２およびｎ型低濃度ドーピング領域３３の不純物濃度は、例えば、１×１０¹⁷cm^-3程度である。導波路コア領域３１の高さは約２５０ｎｍであり、その幅は約５００ｎｍである。

スラブ領域３４は、ｐ型高濃度ドーピング領域３５およびｎ型高濃度ドーピング領域３６を含む。ｐ型高濃度ドーピング領域３５は、ｐ型低濃度ドーピング領域３２の近傍に形成され、ｎ型高濃度ドーピング領域３６は、ｎ型低濃度ドーピング領域３３の近傍に形成される。なお、ｐ型ドーパントはホウ素であり、ｎ型ドーパントはリンである。ｐ型高濃度ドーピング領域３５およびｎ型高濃度ドーピング領域３６の不純物濃度は、例えば、１×１０¹⁹cm^-3程度である。スラブ領域３４の膜厚は約５０ｎｍであり、その幅は約３μｍである。

電極２２および電極２３は、導波路コア領域３１を挟むように形成される。電極２２は、導波路コア領域３１の近傍であって、ｐ型低濃度ドーピング領域３２が形成されている側に形成される。また、電極２３は、導波路コア領域３１の近傍であって、ｎ型低濃度ドーピング領域３３が形成されている側に形成される。電極２２、２３は、例えば、アルミニウムで形成される。

クラッド３７は、導波路コア領域３１、スラブ領域３４、電極２２、２３の上側に形成される。また、クラッド３８は、導波路コア領域３１、スラブ領域３４の下側に形成される。すなわち、クラッド３７、３８は、導波路コア領域３１を囲むように形成される。

ヒータ電極２４は、導波路コア領域３１の上方に形成される。ただし、ヒータ電極２４と導波路コア領域３１との間にはクラッド３７が形成されている。また、ヒータ電極２４は、コントローラ９により制御される電流を流すための抵抗体であって、例えば、チタンで形成される。さらに、ヒータ電極２４は、図４（ｂ）に示すように、リング導波路２１（すなわち、導波路コア領域３１）に沿って形成されている。図４（ｂ）は、リング共振器型変調器２を上方から見た図であるが、図面を見やすくするために、リング導波路２１およびヒータ電極２４のみが描かれている。

したがって、ヒータ電極２４を流れる電流を調整することにより、リング導波路２１の温度を制御することができる。なお、ヒータ電極２４は、この実施例では、図２に示す温度制御部８に含まれるものとする。

上述のようにしてリング共振器型変調器２が形成される場合、入力導波路３、出力導波路４、光源５、光検出器６、光検出器７は、たとえば、以下のようにして実現される。入力導波路３および出力導波路４は、いずれもリブ型細線導波路であり、コア領域の高さは２５０ｎｍ、コア領域の幅は５００ｎｍ、スラブ領域の膜厚は５０ｎｍである。入力導波路３とリング導波路２１との間のギャップは３００ｎｍであり、出力導波路４とリング導波路２１との間のギャップも３００ｎｍである。光源５は、発振波長１５５０ｎｍのＤＦＢ（Distributed-Feedback）レーザであり、ＩｎＰ基板上に形成される。そして、光源５の発光面は、シリコン導波路（ここでは、入力導波路３）と結合する。光検出器７は、ゲルマニウム吸収層を有するｐｉｎ型光検出器である。光検出器６は、ＩｎＧａＡｓ吸収層を有するｐｉｎ型光検出器である。

上記構成のリング共振器型変調器２において、光信号は、導波路コア領域３１（即ち、リング導波路２１）を介して伝搬する。図５においては、光信号は、導波路コア領域３１を介して、図５の紙面に垂直な方向に伝搬する。

ここで、リング導波路２１（すなわち、導波路コア領域３１）の光学的な特性は、電極２２、２３間の電圧に依存する。なお、以下の説明では、電極２２、２３間の電圧のことを「リング共振器型変調器２への印加電圧」または「印加電圧」と呼ぶことがある。

例えば、導波路コア領域３１内の空乏領域の幅は、印加電圧に依存する。空乏領域は、キャリア密度の低い領域である。そして、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すると、空乏領域の幅が広くなる。この実施例では、印加電圧がＬレベルであるときに、図６（ａ）に示すように、導波路コア領域３１内の空乏領域の幅は狭い。一方、印加電圧がＨレベルであるときには、導波路コア領域３１のｐｎ接合に逆バイアス電圧が印加され、図６（ｂ）に示すように、導波路コア領域３１内の空乏領域の幅が広くなる。そして、導波路コア領域３１内の空乏領域の幅が変化すると、それに応じて導波路コア領域３１（すなわち、リング導波路２１）の光パス長が変化する。

このように、リング共振器型変調器２への印加電圧が変化すると、リング導波路２１の光学的な特性も変化する。ここで、印加電圧は、信号生成器１１が生成する駆動信号によって与えられる。すなわち、リング導波路２１を伝搬する光の状態は、駆動信号に応じて変化する。したがって、リング共振器型変調器２において、駆動信号に対応する変調光信号が生成される。

図７は、リング共振器型変調器２の透過率を示す。Ｔ(L)およびＴ(H)は、図２に示す光源５からドロップポートまでの間の透過率を表す。なお、Ｔ(L)は、印加電圧がＬレベルであるときの透過率を表している。すなわち、Ｔ(L)は、駆動信号がＬレベルであるときのリング共振器型変調器２の透過率を表している。Ｔ(H)は、印加電圧がＨレベルであるときの透過率を表している。すなわち、Ｔ(H)は、駆動信号がＨレベルであるときのリング共振器型変調器２の透過率を表している。

リング共振器型変調器２の透過率は、図７に示すように、光信号の波長に依存する。すなわち、透過率（Ｔ(L)、Ｔ(H)）は、波長に対してピークを有する。また、透過率カーブは、波長に対して非常に急峻である。図７に示す例では、リング共振器型変調器２の通過帯域幅は、０．１ｎｍ程度である。したがって、リング共振器型変調器２は、波長フィルタとして動作する。

また、リング共振器型変調器２の透過率は、図７に示すように、印加電圧（すなわち、電極２２、２３間の電圧）にも依存する。具体的には、印加電圧が変化すると、透過率がピークとなる波長がシフトする。図７に示す例では、透過率Ｔ(L)がピークとなる波長よりも、透過率Ｔ(H)がピークとなる波長の方が、約０．０５ｎｍ長くなっている。

Ｃ(L)およびＣ(H)は、図２に示す光源５からスルーポートまでの間の透過率を表す。なお、Ｃ(L)は印加電圧がＬレベルであるときのスルーポートへの透過率を表し、Ｃ(H)は印加電圧がＨレベルであるときのスルーポートへの透過率を表している。

図７に示すように、リング共振器型変調器２の透過率Ｔ(L)、Ｔ(H)が大きいときは、スルーポートへの透過率Ｃ(L)、Ｃ(H)は小さい。すなわち、透過率Ｔ(L)がピークとなる波長において、透過率Ｃ(L)が最小または略最小になっている。同様に、透過率Ｔ(H)がピークとなる波長において、透過率Ｃ(H)が最小または略最小になっている。

図８は、リング共振器型変調器２の消光比および挿入損を示す。消光比は、印加電圧がＬレベルであるときの光信号のパワーと印加電圧がＨレベルであるときの光信号のパワーとの比である。よって、消光比は、図７に示す透過率Ｔ(L)と透過率Ｔ(H)との差分の絶対値に相当する。

この実施例では、消光比は、波長に対して２つのピークを有している。すなわち、透過率Ｔ(H)がピークとなる波長（または、その近傍）、および透過率Ｔ(L)がピークとなる波長（または、その近傍）において、消光比のピークが得られる。ただし、透過率Ｔ(H)がピークとなる波長において、消光比が最大となる。

挿入損は、光源５からドロップポートまでの光パス上にリング共振器型変調器２が挿入されたことによって発生する損失であって、リング共振器型変調器２の透過率の逆数に相当する。ただし、ここでは、挿入損は、光送信器１の出力光信号が「１（発光状態）」であるときの損失を表すものとする。この場合、Ｔ(L)よりもＴ(H)の方が高い波長に対しては、Ｔ(H)の逆数が挿入損に相当する。また、Ｔ(H)よりもＴ(L)の方が高い波長に対しては、Ｔ(L)の逆数が挿入損に相当する。そして、この実施例では、透過率Ｔ(H)がピークとなる波長（または、その近傍）において、挿入損が最小となる。

＜動作状態の制御＞
光送信器１から送信される変調光信号は、消光比が高いことが好ましい。すなわち、光送信器１は、消光比が高い変調光信号を生成することが好ましい。また、少ない消費電力で効率的に出力パワーを得るためには、リング共振器型変調器２の挿入損が小さいことが好ましい。ここで、図８に示すように、変調光信号の消光比が最大となる波長と、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となる波長は、互いにほぼ同じである。したがって、光送信器１は、リング共振器型変調器２の動作波長（または、共振波長）を適切に制御することにより、好適な変調光信号を生成する。

リング共振器型変調器２の動作波長は、図４に示すリング導波路２１の光学的な周回長を変えることで調整される。リング導波路２１の光学的な周回長は、上述した印加電圧に依存すると共に、リング導波路２１の温度にも依存する。そこで、光送信器１は、リング導波路２１の温度を調整することによって、リング共振器型変調器２の動作状態を最適化するように、リング導波路２１の光学的な周回長を制御する。一例としては、リング共振器型変調器２の透過率がピークとなる波長、消光比がピークとなる波長、または挿入損が最小となる波長の少なくとも１つが、図３に示す複数のピークのいずれか１つの一致するように、リング導波路２１の光学的な周回長を調整することが好ましい。

図９は、リング共振器型変調器２の動作状態を制御する処理のフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、図２に示すコントローラ９により実行される。
この実施例では、変調光信号の消光比が最大であり、および／または、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となるように、リング共振器型変調器２の動作状態を制御するものとする。ここで、変調光信号の消光比が最大であり、および／または、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となる動作状態は、図７および図８に示すように、スルーポートへの透過率Ｃ(H)が最小となる波長において実現される。すなわち、リング共振器型変調器２にＨレベル電圧を印加しながらスルーポートへの透過率Ｃ(H)を最小化すれば、変調光信号の消光比が最大であり、および／または、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となる動作状態が実現される。したがって、コントローラ９は、以下の処理を実行する。なお、「最小化」という語は、この明細書では、完全な最小化だけでなく、略最小化も含むものとする。

ステップＳ１において、コントローラ９は、駆動信号としてＨレベル電圧を出力するように信号生成器１１を制御する。これにより、信号制御器１１は、リング共振器型変調器２にＨレベル電圧を継続的に印加する。そうすると、電圧２２、２３間の電圧がＨレベルとなり、図６（ｂ）に示すように、導波路コア領域３１内の空乏領域の幅が広くなる。

ステップＳ２において、コントローラ９は、スルーポートの光パワーが最小化されるように、リング導波路２１の温度を制御する。ここで、スルーポートの光パワーは、光検出器６により検出される。また、コントローラ９は、ヒータ電極２４に供給する電流を調整することにより、リング導波路２１の温度を制御する。

図１０は、ステップＳ２の温度制御について説明する図である。図１０において、波長λ１は、例えば、図３に示す光源５の複数の発振モードの中の１つに対応するレーザ光の波長を表している。また、Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ、温度Ｔ１、Ｔ２で得られるスルーポートの光パワーの波長依存性を模式的に示している。

この場合、リング導波路２１の温度がＴ１であれば、スルーポートにおいて波長λ１のレーザ光のパワーは、比較的大きくなる。すなわち、スルーポートにおいて光パワーＰ１が得られる。一方、リング導波路２１の温度がＴ２であれば、スルーポートにおいて波長λ１のレーザ光のパワーは、最小となる。すなわち、スルーポートにおいて光パワーＰ２が得られる。そして、スルーポートの光パワーが最小となるとき、ドロップポートにおいて波長λ１のレーザ光のパワーは最大となり、光信号の消光比も最大となる。よって、コントローラ９は、図１０に示す例では、リング導波路２１の温度をＴ２に調整することにより、スルーポートの光パワーを最小化する。

このように、コントローラ９は、スルーポートの光パワーが最小化されるように、リング導波路２１の温度を制御する。この結果、リング共振器型変調器２は、変調光信号の消光比が最大であり、および／または、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となる初期状態に制御される。

ステップＳ３において、コントローラ９は、信号生成器１１に対して、光変調器１の駆動の開始を指示する。この指示を受信すると、信号生成器１１は、光送信器１が送信するデータ信号に対応する駆動信号を出力する。この駆動信号は、リング共振器型変調器２に与えられる。したがって、リング共振器型変調器２は、駆動信号に対応する変調光信号を生成する。

ステップＳ４において、コントローラ９は、下記のモニタ値が一定の値を保つように、リング導波路２１の温度を制御する。
「モニタ値＝スルーポートの光パワー／光源５の発光パワー」
スルーポートの光パワーは、光検出器６によって検出される。また、光源５の発光パワーは、光検出器７によって検出される。したがって、コントローラ９は、光検出器６、７の出力を利用して、モニタ値を算出することができる。そして、コントローラ９は、光送信器１が動作している期間は、ステップＳ４の処理を繰り返し実行する。

ここで、ステップＳ３で光変調器の駆動が開始された後は、データ信号に対応する駆動信号がリング共振器型変調器２に与えられる。このため、スルーポートに導かれる光は、データ信号成分を含んでいる。ただし、データ信号と比較して光検出器６の速度は十分に遅いので、光検出器６の出力は、スルーポートの光パワーの平均を表す。したがって、リング共振器型変調器２がある一定の状態に保持されている期間は、スルーポートの光パワーもほぼ一定である。

そこで、コントローラ９は、ステップＳ２の直後に、データ信号に対応する駆動信号がリング共振器型変調器２に与えられた状態で、スルーポートの光パワーを表す値を取得して保持する。このとき、リング共振器型変調器２の動作状態は、ステップＳ１〜Ｓ２の制御により最適化されている。すなわち、スルーポートの光パワーがステップＳ２の直後に取得した値は、リング共振器型変調器２の最適な動作状態を表している。換言すれば、スルーポートの光パワーがステップＳ２の直後に取得した値を維持するように制御を行えば、リング共振器型変調器２の動作状態は最適な状態に保持される。したがって、コントローラ９は、スルーポートの光パワーが一定の値を保つように、リング導波路２１の温度を制御する。この結果、リング共振器型変調器２の動作状態は最適な動作状態に保持される。

ただし、光源５の特性は、温度または経年劣化などによって変化する。そこで、この実施例では、上述モニタ値を利用することにより、温度または経年劣化などに起因する光源５の特性の変化が補償される。このように、モニタ値を利用してリング導波路２１の温度を制御することにより、光信号の消光比および／またはリング共振器型変調器２の挿入損が改善される。

なお、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、ステップＳ４において、スルーポートの光パワーに基づいて温度制御を行ってもよい。さらに、ステップＳ２において、上述のモニタ値に基づいて温度制御を行ってもよい。

このように、実施形態の光送信器１においては、リング共振器型変調器２のリング導波路２１の光学的な周回長は、入力レーザ光の波長と共振するように制御される。ここで、リング共振器型変調器２は、光変調器として動作すると共に、波長フィルタとしても動作する。このため、実施形態の構成によれば、リング導波路２１の光学的な周回長を適切に制御すれば、光変調器の動作状態が最適化され、同時に、波長フィルタの動作状態も最適化される。したがって、実施形態の構成によれば、リング共振器を利用した光送信器の動作状態の制御が容易になる。

なお、上述の実施例では、ステップＳ２において、スルーポートの光パワー（または、モニタ値）を最小化するように温度制御が行われるが、本発明はこの方法に限定されるものではない。例えば、図８において、光信号の消光比が最大となる波長と、リング共振器型変調器２の挿入損が最小となる波長とは、必ずしも一致しない。ここで、スルーポートの光パワー（または、モニタ値）を最小化すると、挿入損を最小化する動作状態が得られる。したがって、光信号の消光比を最適化する動作状態を得るためには、ステップＳ２による温度制御の後に、リング導波路２１の温度に所定のオフセットを加えるようにしてもよい。

また、上述の実施例では、印加電圧をＨレベルに固定した状態でステップＳ２の温度制御が行われるが、本発明はこの方法に限定されるものではない。すなわち、印加電圧をＬレベルに固定した状態でステップＳ２の温度制御を行ってもよい。ただし、リング共振器型変調器２が図７に示す特性を有している場合は、印加電圧をＨレベルに固定した状態でステップＳ２の温度制御を行う方が、より良好な消光比および挿入損が実現される。

さらに、上述の実施例では、図２に示すように、変調器をモニタするための光検出器６がスルーポートに設けられ、光源５をモニタするための光検出器７がレーザの後端部に設けられているが、本発明はこの方法に限定されるものではない。すなわち、光検出器６、７は、それぞれ、光変調器の出力および光源５の出力を実質的にモニタできればよい。例えば、光検出器６は、リング導波路２１からタップされる光を検出してもよい。また、光検出器７は、例えば、シリコン基板上の光導波路（例えば、入力導波路３）からタップされる光を検出してもよい。ただし、損失を考慮すると、図２に示す構成が好適である。

＜バリエーション＞
上述の実施例では、導波路コア材料はシリコンである。しかしながら、導波路コア材料は、通信波長帯の光に対して透明であれば、他の半導体材料（例えば、シリコンゲルマニウム、InP、GaAs、またはこれらの混晶など）でもよい。

上述の実施例では、Si基板が使用されているが、他の材料（例えば、石英、GaAs、InPなど）で基板を形成してもよい。ただし、Si基板は、低コストであり、ドライバ等の電子回路の集積が容易であるなどの利点を有する。

上述の実施例で示したサイズ等は、一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、導波路コア領域の幅および高さは、シングルモード性を保つ範囲で任意に設計することができる。また、スラブ領域の幅は、スポットサイズが大きく変化しない範囲で任意に設計することができる。さらに、スラブ領域の膜厚、突起部分の膜厚なども、上述の実施例に変更を加えてもよい。

導波路コア領域３１およびスラブ領域３４のドーピング濃度は、上述の実施例に限定されるものではない。ただし、ドーピング濃度が低すぎると、抵抗が大きくなり、変調効率が低下する。ドーピング濃度が高すぎると、光損失が大きくなる。よって、このらの要因を考慮すると、スラブ領域へのドーピング濃度は、５×１０¹⁸〜５×１０²⁰ｃｍ^-3程度が好ましい。また、コア領域へのドーピング濃度は、５×１０¹⁶〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度が好ましい。

上述の実施例では、横方向ｐｎ構造を有するリブ導波路構造において逆バイアスによるキャリア密度の変化を利用して変調が行われるが、本発明は他の構造を採用してもよい。例えば、横方向ｐｉｎ構造において順バイアスによるキャリア密度の変化を利用して変調を行ってもよい。ただし、高速変調を実現するためには、上述した実施例の構成が好適である。

上述の実施例では、光変調器の導波路（すなわち、リング導波路２１）は、円形であるが、入力導波路３および出力導波路４との結合部が直線状に形成されたレーストラック型であってもよい。ただし、レーストラック型を採用する場合は、必要な結合効率が得られるように導波路間のギャップおよび結合部の直線長が決定される。

上述の実施例では、導波路は細線リブ導波路であるが、他の構造であってもよい。例えば、導波路の一部が、スラブ領域のない細線チャネル型であってもよい。ただし、光変調器のすべての導波路をチャネル型にすることは出来ないので、リブ導波路とチャネル導波路が混在することになる。よって、リブ導波路とチャネル導波路との接合部分において反射または散乱が生じるおそれがある。或いは、コア領域の高さが１μｍ以上であり、スラブ領域の膜厚を実施例よりも厚くした構成であってもよい。ただし、この構造では、リング導波路の曲率半径を小さくすると、放射損が大きくなる。

光源５は、ＤＦＢレーザに限定されるものではなく、例えば、シリコン基板上に発光層を貼り合わせることにより実現してもよい。
上述の実施例では、光検出器６、７は、InGaAs吸収層またはGe吸収層を有するｐｉｎ型光検出器であるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、信号波長を吸収するものであれば、他の材料（例えば、InGaAsPなど）で光検出器の吸収層を実現してもよい。また、光検出器は、ＡＰＤまたはＭＩＮ型であってもよい。

＜他の実施形態１＞
図１１は、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光送信器の構成を示す。図１１に示す波長多重光送信器４０は、リング共振器型変調器２−１〜２−８、入力導波路３−１〜３−８、光源５−１〜５−８、出力バス導波路４１を有する。各リング共振器型変調器２−１〜２−８は、それぞれ図２に示すリング共振器型変調器２に相当する。すなわち、各リング共振器型変調器２−１〜２−８は、図２１に示すリング導波路２１および電極２２、２３を有する。各入力導波路３−１〜３−８は、それぞれ図２に示す入力導波路３に相当する。各光源５−１〜５−８は、図２に示す光源５に相当する。

各入力導波路３−１〜３−８のスルーポートには、図示しないが、それぞれ図２に示す光検出器６に相当する光検出器が設けられている。また、波長多重光送信器４０は、図示しないが、各光源５−１〜５−８の出力パワーを検出する光検出器を有する。

入力導波路３−１〜３−８は、それぞれリング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路に光学的に結合されている。また、リング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路は、それぞれ出力バス導波路４１に光学的に結合されている。

光源５−１〜５−８は、互いに異なる波長のレーザ光を出力する。図１１では、光源５−１〜５−８は、波長λ１〜λ８のレーザ光を生成する。そして、リング共振器型変調器２−１〜２−８には、入力導波路３−１〜３−８を介して、波長λ１〜λ８のレーザ光が入力される。また、リング共振器型変調器２−１〜２−８には、それぞれデータ信号に対応する駆動信号が与えられる。したがって、リング共振器型変調器２−１〜２−８は、それぞれ波長λ１〜λ８の変調光信号を生成する。

リング共振器型変調器２−１〜２−８により生成される変調光信号は、出力バス導波路４１に出力される。したがって、波長多重光送信器４０は、ドロップポートを介して、リング共振器型変調器２−１〜２−８により生成される変調光信号を含む波長多重光信号を出力することができる。本実施例の波長多重光送信器は、波長多重のための合波器を別途必要としないため、従来例で必要であった合波器の分の素子の小型化および低損失化が可能となる。

上記構成において、リング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路の周回長は、それぞれ波長λ１〜λ８に基づいて形成されている。ただし、各リング導波路の光学的な周回長は、コントローラ４２によって制御される。コントローラ４２は、リング共振器型変調器２−１〜２−８に対して、それぞれ図９に示すフローチャートの処理を実行する。

なお、図１１に示す実施例では、リング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路がそれぞれ出力バス導波路４１に光学的に結合されているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、リング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路がそれぞれ対応する出力導波路に光学的に結合され、各出力導波路上の光信号が出力バス導波路４２に導かれるようにしてもよい。ただし、この構成において、各出力導波路を出力バス導波路の一部と考えれば、リング共振器型変調器２−１〜２−８のリング導波路は、それぞれ出力バス導波路に光学的に結合していることになる。

＜他の実施形態２＞
図２に示す実施形態では、光送信器１は、１つのリング共振器を有する。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光送信器は、複数のリング共振器を有する構成であってもよい。

図１２（ａ）は、２重のリング共振器を有するリング共振器型変調器の構成を示す。このリング共振器型変調器は、互いに光学的に結合されたリング導波路２１ａ、２１ｂを有する。リング導波路２１ａ、２１ｂの形状は、互いに同じである。入力導波路３は、リング導波路２１ａに光学的に結合され、出力導波路４は、リング導波路２１ｂに光学的に結合される。リング導波路２１ａ、２１ｂに対して、電極２２、２３が形成されている。さらに、リング導波路２１ａ、２１ｂに沿ってヒータ電極２４が形成されている。そして、コントローラは、図９に示すフローチャートの手順で、このリング共振器型変調器の動作状態を最適化する。

図１３（ａ）は、図１２（ａ）に示すリング共振器型変調器の透過スペクトルを示す。図９に示す実施例（１つのリング共振器を有する構成）と比較すると、２重のリング共振器を有する構成においては、急峻なスペクトルが得られる。すなわち、屈折率の変化に対して透過率の変化が大きくなるので、消光比が大きくなる。

図１２（ｂ）は、３重のリング共振器を有するリング共振器型変調器の構成を示す。このリング共振器型変調器は、縦列に、光学的に結合されたリング導波路２１ａ〜２１ｃを有する。すなわち、リング導波路２１ａはリング導波路２１ｂに光学的に結合し、リング導波路２１ｂはリング導波路２１ｃに光学的に結合する。リング導波路２１ａ〜２１ｃの形状は、互いに同じである。入力導波路３は、リング導波路２１ａに光学的に結合され、出力導波路４は、リング導波路２１ｃに光学的に結合される。リング導波路２１ａ〜２１ｃに対して、電極２２、２３が形成されている。さらに、リング導波路２１ａ〜２１ｃに沿ってヒータ電極２４が形成されている。そして、コントローラは、図９に示すフローチャートの手順で、このリング共振器型変調器の動作状態を最適化する。

図１３（ｂ）は、図１２（ｂ）に示すリング共振器型変調器の透過スペクトルを示す。図１３（ａ）に示す特性と比較すると、３重のリング共振器を有する構成においては、さらに急峻なスペクトルが得られ、消光比がさらに大きくなる。なお、リング共振器型変調器は、４以上のリング共振器を有する構成であってもよい。

図１４は、リング共振器型変調器の消光比と挿入損との関係を示す図である。図１４に示すように、リング導波路の数を増やすと、大きな消光比が実現される。したがって、大きな消光比が必要な場合は、リング導波路の数を増やすことが好ましい。ただし、消光比が小さい領域では、リング導波路の数が少ないほど、挿入損は小さくなる。よって、大きな消光比が必要でない場合には、挿入損を小さくするために、リンク導波路の数が少ないことが好ましい。すなわち、光送信器として要求される特性（消光比、挿入損など）に応じて、リング導波路の数を選択することが好ましい。

Claims (6)

1. リング導波路と、
   前記リング導波路の近傍に形成された、信号が与えられる電極と、
   第１の端部および第２の端部を有し、前記リング導波路と光学的に結合する第１の導波路と、
   前記第１の導波路と光学的に直接結合することなく、前記リング導波路と光学的に結合する第２の導波路と、
   前記第１の端部から前記第１の導波路に連続光を供給する光源と、
   前記第１の導波路の前記第２の端部から出力される光を検出する第１の光検出器と、
   前記リング導波路の近傍に形成された抵抗体と、
   前記第１の光検出器により検出される光レベルに基づいて、前記抵抗体に供給する電流を制御して前記リング導波路の温度を変化させるコントローラと、
   を有する光送信器。
2. 前記光源の出力レベルを検出する第２の光検出器をさらに有し、
   前記コントローラは、前記第１の光検出器により検出される光レベルおよび前記第２の光検出器により検出される出力レベルに基づいて、前記抵抗体に供給する電流を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
3. 複数のリング共振器型送信器およびバス導波路を有する光送信器であって、
   各リング共振器型送信器は、
   リング導波路と、
   前記リング導波路の近傍に形成された、信号が与えられる電極と、
   第１の端部および第２の端部を有し、前記リング導波路と光学的に結合する入力導波路と、
   前記第１の端部から前記入力導波路に連続光を供給する光源と、
   前記入力導波路の前記第２の端部から出力される光を検出する光検出器と、
   前記リング導波路の近傍に形成された抵抗体と、を有し、
   前記光送信器は、各リング共振器型送信器の光検出器により検出される光レベルに基づいて、対応する抵抗体に供給する電流を制御して対応するリング導波路の温度を変化させるコントローラを備え、
   各リング共振器型送信器の光源が生成する連続光の波長は互いに異なっており、
   各リング共振器型送信器のリング導波路は、それぞれ前記バス導波路に光学的に結合されている、
   ことを特徴とする光送信器。
4. リング導波路と、
   前記リング導波路の近傍に形成された、信号が与えられる電極と、
   第１の端部および第２の端部を有し、前記第１の端部から連続光が入力される、前記リング導波路と光学的に結合する第１の導波路と、
   前記第１の導波路と光学的に直接結合することなく、前記リング導波路と光学的に結合する第２の導波路と、
   前記第１の導波路の前記第２の端部から出力される光を検出する光検出器と、
   前記リング導波路の近傍に形成された抵抗体と、
   前記光検出器により検出される光レベルに基づいて、前記抵抗体に供給する電流を制御して前記リング導波路の温度を変化させるコントローラと、
   を有する光変調器。
5. リング導波路と、前記リング導波路の近傍に形成された電極と、前記リング導波路と光学的に結合する第１の導波路と、前記第１の導波路と光学的に直接結合することなく前記リング導波路と光学的に結合する第２の導波路と、前記第１の導波路に連続光を供給する光源と、を有する光送信器の調整方法であって、
   前記光送信器が変調光信号を送信する前に、前記電極に所定の電圧を印加しながら、前記連続光の入射端でない側の前記第１の導波路の端部で検出される光レベルを最小化するように、前記リング導波路の温度を制御する
   ことを特徴とする光送信器の制御方法。
6. 前記光送信器が変調光信号を送信する期間は、前記第１の導波路の端部で検出される光レベルと、前記光源の出力レベルとの比率が一定となるように、前記リング導波路の温度を制御する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光送信器の制御方法。

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